CC BY
9ВЕСТН. САМАР. ГОС. ТЕХН. УН-ТА. СЕР. ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. 2014. № 2 (42)_
УДК 536.3
ВОСПЛАМЕНЕНИЕ ТУРБУЛЕНТНОГО ПОТОКА АЭРОВЗВЕСИ ЧАСТИЦ АЛЮМИНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ИСКРОЙ
аэровзвеси частиц алюминия зажигание сведется к нагреванию сферического объема, радиус которого должен превышать характерную ширину пламени 8у .
В настоящей работе представлены результаты исследования процесса воспламенения турбулентного потока аэровзвеси частиц алюминия порошка марки АСД-4 на основе модели теплового очагового зажигания и выявлено влияние начальной турбулентности на развитие очага.
Схема экспериментального стенда, описание узлов и агрегатов установки, а также методика проведения испытаний представлены в работах [3, 4]. Отметим только, что рабочий участок представляет собой осесимметрич-ный канал диаметром Dcb = 0.04 м с диаметром входного отверстия do = 0.02 м.
Начальная скорость потока аэровзвеси на входе в рабочий участок канала изменялась в пределах ио = 5 + 50 м/с.
Интенсивность турбулентности е варьировалась от 5 до 22 % при помощи турбулизирующей решетки, которая устанавливалась на различных расстояниях от плоскости внезапного расширения.
Для визуализации процесса развития начального очага воспламенения в зоне рециркуляции при искровом зажигании турбулентного потока аэровзвеси частиц алюминия применялся оптический метод с использованием кинокамеры СКС-1М со скоростью съемки 600 кадров в секунду.
В качестве горючего использовался порошок алюминия марки АСД-4 (d32 = 7.4 мкм). Окислителем служил воздух с начальной температурой 293 К.
Наиболее удобным и достаточно удовлетворительным источником зажигания является электрический разряд, эффективно преобразующий электрическую энергию в тепло, которое концентрируется в относительно малом объеме. Поэтому для зажигания турбулентного потока аэровзвеси частиц алюминия использовалась электрическая свеча поверхностного разряда.
Результаты визуализации процесса развития очага зажигания показали, что на начальном этапе происходит увеличение размера очага, затем наблюдается либо взрывной рост очага в случае распространяющегося пламени (рис. 1б), либо полное угасание очага в случае затухающего пламени (рис. 1а).
Для обоих случаев зажигания на начальном этапе, при
т «1.0 -10_3 сек, происходит формирование начального очага. Затем, в случае
затухающего пламени (рис. 1а), размеры очага за время т «1.6 + 3.2 -10_3 сек остаются постоянным, после чего угасают. В случае распространяющегося пламени (рис. 1б) при т «1.6 -10_3 сек размер очага остается неизменным (гЛ «1 мм), после чего происходит резкое увеличение начального очага и заполнение зоны
_3 _3
рециркуляции при т « 3.2 -10 сек. Далее при т « 4.8 -10 сек пламя из зоны рециркуляции распространяется в основной поток алюминиево-воздушной смеси.
В обоих случаях постоянное значение размера начального очага зажигания
_3
(гЛ «1 мм) за период времени т « 0 ^ 1.6 -10 сек говорит о том, что скорость роста распространяющегося пламени равна нулю, а температура в центре очага практически не изменяется. Этот момент соответствует критическому состоянию очага. Такая особенность характерна для области вырожденного очагового взрыва [5].
0 сек
1.6 -10"3 сек
3.2 -10"3 сек
4.8 -10"3 сек
б
Рис. 1. Изменение начального очага зажигания: для затухающего (а) и распространяющегося (б) пламени. Порошок марки АСД-4 (dз2 = 7.4 мкм); направление потока слева направо;
ио = 50м/с; Т0 = 293К; £ = 5% ; ВсЪ = 0.04м; а = 1.1
а
Рис. 2. Зависимость тй = f (г) для распространяющегося (кривая 1) и затухающего (кривая 2) пламени
На рис. 2 представлена зависимость тй = f (г) для затухающего (кривая 2) и распространяющегося (кривая 1) пламени. Из рисунка видно, что для частиц алюминия порошка АСД-4 с размером d32 = 7.4 мкм период индукции составляет
т « 2.0 -10"3 сек. Определенное в настоящей работе значение т « 2.0 -10"3 сек согласуется с величиной периода индукции, полученной при воспламенении аэровзвеси порошка алюминия марки АСД-4 за отраженными ударными волнами в атмосфере чистого кислорода [6].
Таким образом, чтобы воспламенить аэровзвесь частиц алюминия порошка марки АСД-4 в зоне рециркуляции электрической искрой, критический радиус очага должен быть тст > 1 мм. При этом можно предположить, что ближайшие частицы алюминиево-воздушной смеси успеют воспламениться прежде, чем нагретый искрой начальный очаг остынет. Учитывая, что для порошка алюминия 5^ = 2 -10"3 м [7], условие Я.Б. Зельдовича (1) для аэровзвеси частиц алюми-
ния порошка марки АСД-4 запишется следующим образом: гсг > 0.5 -8^ .
Поведение начального очага зависит от того, будет ли скорость выделения тепла в процессе горения превосходить скорость теплоотвода в окружающую среду вследствие излучения и турбулентной диффузии. Поскольку теплоотвод от очага осуществляется посредством турбулентной диффузии, а его интенсивность определяется величиной пульсационной скорости, необходимо установить влияние начальной турбулентности на процесс развития начального очага в зоне рециркуляции.
Влияние начальной турбулентности на развитие очага зажигания для порошка марки АСД-4 представлено на рис. 3.
Рис. 3. Влияние начальной турбулентности на развитие очага зажигания для порошка марки АСД-4: 1 - е = 5% ; 2 - е = 22%
На первой стадии процесса зажигания (т «1.3 -10-3 сек) наблюдается положительное влияние турбулентности на рост очага за счет увеличения интенсивности тепломассообменных процессов, протекающих на поверхности частицы и приводящих к увеличения скорости химической реакции. На второй стадии
(т « 1.5 -10-3 + 3 -10-3 сек) турбулентность снижает скорость развития начального очага за счет интенсивного теплоотвода из зоны реакции.
Полученное значение радиуса критического очага можно использовать для расчета минимальной энергии искрового разряда Ет{п. Согласно Я.Б. Зельдовичу [1], создание очага горения, способного к распространению в аэровзвесях частиц алюминия, так же как и в газовоздушных смесях, будет обусловлено равенством его диаметра ширине зоны горения 8f. Соответственно, Ет{п должна обеспечить нагрев определенного объема аэровзвеси радиусом гсг, пропорциональным ширине фронта пламени, от начальной температуры Т0 до температуры горения Ть [1].
Ет1п =8} - ср-р\Ть - То ), (2)
где ср - теплоемкость аэровзвеси при постоянном давлении;
р - плотность аэровзвеси (1782 кг/м3) [8].
Расчет минимальной энергии по формуле (2) показал, что для воспламенения аэровзвеси частиц алюминия марки АСД-4 минимальное значение энергии искры
должно составлять 0,026 Дж, что соответствует экспериментально полученному значению энергии воспламенения 0,025 Дж [9].
Полученное значение радиуса критического очага зажигания можно также использовать для определения начальной скорости распространения пламени [10]:
(dx/dt)o = (2 * 3)-103 • yd , (3)
_5 2
где а - температуропроводность воздуха (8 • 10 м/с); d - диаметр очага зажигания. Начальная скорость распространения пламени, рассчитанная по формуле (3) для аэровзвеси частиц алюминия марки АСД-4, составляет 80 *120 м/сек. Данный диапазон скорости распространения пламени согласуется с диапазоном значений 40 * 160м/сек, полученным в ходе исследования нестационарного распространения пламени аэровзвеси частиц алюминия в каналах [11].
В результате проведенных исследований определен критический радиус очага при электроискровом зажигании потока аэровзвеси частиц алюминия марки АСД-4, изучена динамика процесса и установлено влияние начальной турбулентности на развитие очага в зоне рециркуляции.
Полученные результаты можно использовать для разработки средств пожа-робезопасности при расчете минимальной энергии зажигания потока аэровзвеси частиц алюминия в трубопроводе с переменным сечением; для уточнения существующих математических моделей воспламенения аэровзвеси частиц алюминия в турбулентном потоке воздуха; для организации процесса зажигания порошкообразного алюминия в камерах сгорания перспективных энергетических и технологических установок.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Зельдович Я.Б., Баренблатт Г.И., Либрович В.Б. и др. Математическая теория горения и взрыва. - М.: Наука, 1980.
2. Щетинков Е. С. Физика горения газов. - М.: Наука, 1965. - 740 с.
3. Егоров А.Г., Иванин С.В., Малинин В.И. Исследование зажигания потока газовзвеси на основе модели очагового теплового воспламенения // Физика горения и взрыва. - 2010. - Т. 46. -
№ 3. - С. 1-6.
4. Егоров А.Г. Искровое зажигание газовзвеси в турбулентном потоке // Химическая физика. -2006. - Т. 25. - № 1. - С. 74-78.
5. Буркина Р.С., Князева А.Г. Исследование очагового теплового воспламенения и режима его вырождения // Физика горения и взрыва. - 1992. - Т. 28. - № 3. - С. 3-8.
6. Бойко В.М., Лотов В.В., Папырин А.Н. Воспламенение газовзвесей металлических порошков в отраженных УВ // Физика горения и взрыва. - 1989. - Т. 25. - № 2. - С. 67-74.
7. Виленский Т.В., Хзмалян Д.М. Динамика горения пылевидного топлива. - М.: Энергия, 1978.
8. Крюков А.Ю. Адаптация внутрикамерных процессов и элементов конструкции прямоточных воздушно-реактивных двигателей на порошковом горючем для конверсионного использования: Автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.07.05. / Пермь: Пермск. гос. техн. ун-т, 2003. - 18 с.
9. Корольченко А.Я. Пожаровзрывоопасность промышленной пыли. - М.: Химия, 1986. - 216 с.
10. Барзыкин В.В. Тепловые режимы экзотермических реакций. - Черноголовка.: Энергия, 2004. - 311 с.
11. Шевчук В.Г., Кондратьев Е.Н., Бойчук Л.В. и др. Нестационарное распространение пламени в газовзвеси частиц твердых горючих // Физика аэродисперсных систем. - 1985. - Вып. 27. -70 с.
Статья поступила в редакцию 16 октября 2013 г.
IGNITION TURBULENT FLOW AEROSUSPENSION ALUMINUM PARTICLES ELECTRICAL SPARKS
A.G. Egorov, A.S. Tizilov
Togliatti State University
14, Str. Belaruskaya, Togliatti, Samara region, 445667, Russian Federation
Based on the model of focal thermal ignition investigated the ignition process of turbulent flow aerosuspension aluminum particles powder ASD -4. The critical radius of the hot spot and the condition of its formation. Based on the visualization of the development process are considered a hot spot features: formation of a hot spot in the case of propagating and evanescent flame effect of the initial turbulence aluminum- air mixture on the development of a hot spot. Using the obtained values of the critical size of a hot spot defined minimum spark energy required for reliable ignition of aluminum- air mixture, and theoretically determined the rate of flame propagation is confirmed by experimental studies.
Keywords: ignition hearth, critical radius, electric spark ignition, turbulence, aerosuspen-sion aluminum particles.
Alexander G. Egorov (Dr. Sci. (Techn.)), Professor. Andrey S. Tizilov, Aspirant.
